(57)【要約】  【課題】  メタン発酵の開始時、再起動時、又は運転中に被処理物の投入負荷を増加させる場合の馴養期間を短縮し、短期間で目標の処理量を処理することが可能となるメタン発酵処理方法及び装置を提供する。  【解決手段】  メタン発酵槽内に有機性廃棄物又は有機物を含有する排水からなる被処理物を投入してメタン発酵させて取出すメタン発酵処理方法において、前記メタン発酵の開始時、再起動時、又は運転中に被処理物の投入負荷を増加させる場合に、種汚泥又は発酵液中の菌体を分離膜濃縮装置２０に投入し、濃縮槽２１内に浸漬された分離膜２２によって濃縮して菌体濃度を高めた菌濃縮液２８に被処理物を添加する。  【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン発酵槽内に有機性廃棄物又は有機物を含有する排水からなる被処理物を投入してメタン発酵させて取出すメタン発酵処理方法において、
前記メタン発酵の開始時、再起動時、又は運転中に被処理物の投入負荷を増加させる場合に、種汚泥又は発酵液中の菌体を濃縮して菌体濃度を高めた菌濃縮液を前記被処理物に添加するか、又は前記菌濃縮液に前記被処理物を添加することを特徴とするメタン発酵処理方法。
【請求項２】
前記種汚泥又は発酵液を遠心分離又は膜分離することによって菌体濃度を高める請求項１記載のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
前記種汚泥又は発酵液中の菌体濃度が、汚泥濃度で５，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌとなるように前記菌体の濃縮を行う請求項１又は２に記載のメタン発酵処理方法。
【請求項４】
有機性廃棄物又は有機物を含有する排水からなる被処理物をメタン発酵槽に導入するための被処理物供給手段と、前記被処理物をメタン発酵させるためのメタン発酵槽と、前記メタン発酵後の消化液を取出すための消化液取出し手段と、種汚泥又は発酵液中の菌体を濃縮して菌体濃度を高める菌体濃縮手段とを備えており、前記菌体濃縮手段は、前記メタン発酵槽の外部に設けられているか、又は前記メタン発酵槽内に出し入れ可能に配置されていることを特徴とするメタン発酵処理装置。
【請求項５】
前記菌体濃縮手段が、遠心分離装置又は膜分離装置である請求項４記載のメタン発酵処理装置。
【請求項６】
前記菌体濃縮手段は、前記種汚泥又は発酵液中の菌体濃度が、汚泥濃度で５，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌとなるように構成されている請求項４又は５に記載のメタン発酵処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理の余剰汚泥等の有機性廃棄物、又は、有機物を含有する排水のメタン発酵処理方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理の余剰汚泥等の有機性廃棄物、又は、有機物を含有する排水等の被処理物のメタン発酵処理方法は、絶対嫌気状態に保ったメタン発酵液中に被処理物を投入し、発酵液中の各種菌類の作用により有機物を最終的にメタンガスと二酸化炭素に分解するものである。
【０００３】
上記のメタン発酵における処理効率を向上させるための方法として、通常運転中に、分離膜等を用いて菌の濃度を高めることが知られており、例えば、以下の特許文献１には、微生物の作用で廃水中の成分を分解する複数の処理室を浄化槽本体内に画成した浄化槽において、この浄化槽は上流側の処理室の廃水を固液分離して透過液を下流側の処理室に供給し濃縮液を上流側の処理室に戻す膜分離装置を備える構成が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、活性汚泥処理を行う反応槽の上部に分離膜を設置し、反応槽の下部に微細気泡を発生する曝気装置を設置するとともに、これらの分離膜と曝気装置との間に、微細気泡を合一させて肥大化気泡とする気泡合一装置を設置したことを特徴とする膜分離活性汚泥処理装置が開示されている。
【０００５】
更に、特許文献３には、ろ過により分離された汚泥によって膜面の閉塞や膜エレメント間の流路閉塞が生じることを抑制できる浄水場排水の処理装置として、膜モジュールの下部に散気装置を配置した浸漬型膜分離装置を浸漬槽の上部域に形成した循環ゾーンに配置し、浸漬槽の下部域に所定水深を有する沈降ゾーンを形成した浄水場排水の処理装置が開示されている。
【０００６】
一方、メタン発酵槽を新規に立ち上げる際には、被処理物中の有機物を分解する菌群を含んだ種汚泥又は発酵液を別途入手し、この種汚泥又は発酵液をメタン発酵槽に投入した後、徐々に被処理物に慣らしながら有用菌群を馴養することにより、目的とする所定のバイオガス発生量や処理水質を得るという方法が従来行われている。
【０００７】
また、一定の有機物負荷量で運転を行っているメタン発酵槽から、目標とする前記被処理物の投入負荷量に達するまで投入負荷を増加させる場合や、メタン発酵槽の再起動時においても、徐々に投入負荷量を増やし、有用菌群を馴養しながら目標とする投入負荷量の安定運転へ移行するという方法が従来行われている。
【特許文献１】特開平６−７１２７４号公報
【特許文献２】特開２００３−５３３６８号公報
【特許文献３】特開２００２−１９１９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、メタン発酵槽の新規立ち上げ時や再起動時、一定の有機物負荷量で運転を行っているメタン発酵槽から、目標とする前記被処理物の投入負荷量に達するまで投入負荷を増加させる場合においては、通常、長期の馴養期間を必要とする。これは、被処理物に対して菌体数が少ない状態で多くの負荷を与えると、有機物が可溶化して有機酸に分解され、この有機酸の蓄積等が生じる。これにより、発酵液のpHが低下するいわゆる酸敗の状態となり、メタン発酵処理系が破綻するためである。
【０００９】
そして、例えば、上述のような種汚泥を用いたメタン発酵槽の新規立ち上げ時には、種汚泥は、メタン発酵処理しようとしている被処理物とは異なる成分のものを処理している処理施設から採取する場合が多い。よって、この種汚泥中には被処理物をメタン発酵処理するのに適した菌の濃度が低いため、この菌数を増やし、設計どおりのバイオガス発生量や処理水質を得るまでには種汚泥又は発酵液を馴養する期間が必要となる。
【００１０】
したがって、馴養期間では、設計の処理量よりも低い投入負荷から徐々に負荷を上げていく操作が一般的であり、このため、計画値の処理量となるまでには非常に長い時間が必要となるという問題があった。
【００１１】
しかし、上記のいずれの従来技術においても、この馴養期間の短縮については検討されていない。例えば、上記の特開平６−７１２７４号公報の方法においては、通常運転中に膜分離によって菌の流出を防ぎ、菌体濃度を高めることが開示されているものの、メタン発酵槽の新規立ち上げ時や、投入負荷を増加させて運転を行う場合の処理方法については開示されていない。また、通常運転時に分離膜で常時菌を返送しながら菌体濃度を高めると、分離膜の目詰まりが進行しやすいので、膜の洗浄や交換等の頻度が高まり効率的な運転ができなくなるという問題がある。
【００１２】
また、特開２００３−５３３６８号公報、特開２００２−１９１９４６号公報には、分離膜を用いた装置構成が開示されているものの、やはり、馴養期間の短縮については検討されていない。
【００１３】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、種汚泥又は発酵液の馴養期間を短縮し、短期間で目標の処理量を処理することが可能となるメタン発酵処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明のメタン発酵処理方法は、メタン発酵槽内に有機性廃棄物又は有機物を含有する排水からなる被処理物を投入してメタン発酵させて取出すメタン発酵処理方法において、
前記メタン発酵の開始時、再起動時、又は運転中に被処理物の投入負荷を増加させる場合に、種汚泥又は発酵液中の菌体を濃縮して菌体濃度を高めた菌濃縮液を前記被処理物に添加するか、又は前記菌濃縮液に前記被処理物を添加することを特徴とする。
【００１５】
本発明の処理方法によれば、メタン発酵の開始時、すなわち、メタン発酵槽の新規立ち上げ時には、種汚泥中の菌体を濃縮して菌体濃度を高めた後、この濃縮液に被処理物を徐々に添加しながら投入負荷の増加を開始することで、馴養期間を短縮することができる。また、再起動時や運転中に投入負荷を増加させる場合にも、停止中のメタン発酵液中の菌体を濃縮して菌体濃度を高めた後、被処理物を徐々に添加しながら投入負荷の増加を開始することで、やはり馴養期間を短縮することができる。
【００１６】
更に、上記の濃縮操作は短時間で行うことができるので、速やかに投入負荷の増加を開始することができる。また、投入負荷の増加を開始した後には菌の濃縮は不要であるので、上記の特開平６−７１２７４号公報の方法のような、常時菌を濃縮することによる分離膜の目詰まり等の問題も生じず、効率的な運転ができる。
【００１７】
上記の方法においては、前記菌体の濃縮を遠心分離又は膜分離によって行うことが好ましい。また、上記の方法においては、前記菌体濃度が、汚泥濃度で５，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌとなるように前記菌体の濃縮を行うことが好ましい。これによれば、短時間の濃縮時間で充分な菌数を確保でき、効率よく馴養期間を短縮することができる。
【００１８】
一方、本発明のメタン発酵処理装置は、有機性廃棄物又は有機物を含有する排水からなる被処理物をメタン発酵槽に導入するための被処理物供給手段と、前記被処理物をメタン発酵させるためのメタン発酵槽と、前記メタン発酵後の消化液を取出すための消化液取出し手段と、種汚泥又は発酵液中の菌体を濃縮して菌体濃度を高める菌体濃縮手段とを備えており、前記菌体濃縮手段は、前記メタン発酵槽の外部に設けられているか、又は前記メタン発酵槽内に出し入れ可能に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の処理装置によれば、菌体濃縮手段が、メタン発酵槽の外部に設けられているか、又は前記メタン発酵槽内に出し入れ可能に配置されているので、常時菌を濃縮する必要がなく、分離膜を常時使用することによる膜の目詰まり等の問題を防止することができる。
【００２０】
上記の処理装置においては、前記菌体濃縮手段が、遠心分離装置又は膜分離装置であることが好ましい。また、前記菌体濃縮手段は、前記種汚泥又は発酵液中の菌体濃度が、汚泥濃度で５，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌとなるように構成されていることが好ましい。これによれば、短時間の濃縮時間で充分な菌数を確保でき、効率よく馴養期間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理において、種汚泥又は発酵液中の菌体をあらかじめ濃縮することで、馴養期間を短縮し、短期間で目標の処理量を処理することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて更に詳細に説明する。
図１、２には、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置の一実施形態が示されている。図１はメタン発酵処理装置の概略構成図、図２は図１における分離膜濃縮装置の概略構成図である。
【００２３】
まず、図１の処理装置について説明すると、この処理装置は、有機性廃棄物を粗砕する粉砕機１１と、粗砕した有機性廃棄物を更に微粉砕する微粉砕機１２と、微粉砕した有機性廃棄物を貯留してスラリー調製するためのスラリー調整槽１３と、有機性廃棄物のメタン発酵を行うメタン発酵槽１４と、発酵により生成したガスを貯留するためのガスホルダー１６と、種汚泥又は発酵液中の菌体を濃縮するための分離膜濃縮装置２０とで主に構成されている。
【００２４】
有機性廃棄物を投入、粉砕するための粉砕機１１は、供給配管によって微粉砕機１２に連結され、更に、有機性廃棄物をスラリー化するスラリー調整槽１３に連結されるように構成されている。そして、スラリー調整槽１３からの供給配管が、図示しない供給ポンプを介してメタン発酵槽１４に接続されている。また、メタン発酵槽１４の底部には、消化液を取出すための配管が接続されている。
【００２５】
メタン発酵槽１４内には、スラリーを攪拌するための攪拌羽根１５が設置されており、また、メタン菌を主体とした嫌気性微生物が付着・担持されたろ床（図示しない）が設けられている。
【００２６】
メタン発酵槽１４の上部空間からは、ガスホルダー１６に連結される配管が接続されており、メタン発酵槽１４において発生したバイオガスが、ガスホルダー１６に貯蔵されるように構成されている。これによって、このガスホルダー１６に貯蔵されたバイオガスが、燃料電池発電装置、ガスエンジン等の発電機であるガス利用システム１７に送られ、ここで、燃料として有効利用される。
【００２７】
メタン発酵槽１４には、種汚泥又は発酵液中の菌体を濃縮して菌体濃度を高めた菌濃縮液を得るための分離膜濃縮装置２０が接続されており、本発明における菌体濃縮手段を構成している。なお、本発明においては、この分離膜濃縮装置２０は必ずしもメタン発酵槽１４と接続されていなくてもよい。
【００２８】
図２を併せて参照すると、この分離膜濃縮装置２０は、濃縮槽２１内に分離膜２２が配置されており、膜分離後の液体がポンプ２５によって配管３３より排出されるようになっている。更に分離膜２２の下方には散気装置２３が配置されている。
【００２９】
分離膜２２としては、従来公知のＭＦ（精密ろ過膜）、ＵＦ（限外ろ過膜）等が好ましく用いられ、平膜、中空糸、チューブラーなどいずれの形式でも用いることができる。膜の孔径は有用な菌が流出しないものが望ましく、０．０１〜０．５μｍであることが好ましい。孔径が０．０１μｍ未満であると、ろ過抵抗が大きくなるのでろ過処理の効率が低下するので好ましくなく、孔径が０．５μｍを超えると菌が通過してしまい濃縮効率が低下するので好ましくない。
【００３０】
散気装置２３は、分離膜２２の表面を洗浄することにより安定した膜分離処理を行うためのものであり、従来公知の散気装置が使用できる。
【００３１】
なお、本発明においては、分離膜２２の駆動力としては、ポンプ２５による吸引の他に、水位差を利用してもよく、また、濃縮槽２１の内圧を高める加圧方式でもよい。また、本発明における菌体濃縮手段は、膜分離装置には限定されず、遠心分離装置等を用いてもよい。
【００３２】
濃縮槽２１の上部空間２１ａには、被濃縮水を導入するための配管３１が接続されている。また、上部空間２１ａを嫌気性ガスで置換するための嫌気性ガスボンベ２６が、弁２７を介して接続されている。
【００３３】
更に、上部空間２１ａに接続される配管３２は、ブロア２４を介して散気装置２３に接続されており、上部空間２１ａの嫌気性ガスが散気装置２３に送られるように構成されている。
【００３４】
次に、上記のメタン発酵処理装置を用いたメタン発酵処理方法について説明する。
例えば、メタン発酵槽を新規に立ち上げる場合、図２に示すように、まず、被濃縮水である種汚泥又は発酵液を、配管３１によって濃縮槽２１に投入する。
【００３５】
ここで、種汚泥とは、メタン発酵を行う上で基となる汚泥であり、例えば、下水消化汚泥等の嫌気状態にある汚泥である。汚泥の発生源により、含まれる菌種（菌相）は様々であり、そのなかには一部メタン菌も含まれている。
【００３６】
また、発酵液とは、メタン発酵を行っている液であり、メタン菌（特に高温メタン発酵を行っていれば、高温メタン菌）が優先的に存在する汚泥である。メタン菌以外にも、メタン菌と共生関係にある種々の菌がバランスよく存在し、投入された有機物が滞りなくメタンまで分解される菌種（菌相）を含んだ汚泥となっている。このような発酵液は、既にメタン発酵を行っている、中温メタン発酵処理（約３５℃）、高温メタン発酵処理（約５５℃）等の他のメタン発酵槽から入手することができる。
【００３７】
濃縮槽２１への流入量は、濃縮槽２１内に設置した、図示しない水位センサー等により制御するか、サイホンによって濃縮槽２１内の水位を一定に保つことが望ましく、水位は分離膜２２よりも上方とすることがより好ましい。これにより、分離膜２２の全体が被濃縮水に浸漬されるので分離膜２２を効率的に利用でき、また、分離膜２２の乾燥による膜の破損を防止することができる。
【００３８】
次いで、分離膜２２による濃縮に先立ち、濃縮槽２１に被濃縮水が満たされた時点で、弁２７を開けて、嫌気性ガスボンベ２６によって濃縮槽２１内の上部空間２１ａを嫌気ガスで置換しておくことが好ましい。嫌気性ガスとしては、窒素、二酸化炭素、メタンガス、メタン発酵処理における発生バイオガスなどを用いることができる。
【００３９】
また、濃縮時には、分離膜２２の下方に設置した散気装置２３によって、上記の嫌気性ガスをブロア２４を介してバブリングすることが好ましい。これにより、分離膜２２の表面を洗浄することができ、安定した膜分離処理を行うことができる。また、嫌気性ガスのバブリングによって、好気性微生物の死滅効果も期待できる。
【００４０】
次いで、濃縮槽２１内の被濃縮水を、濃縮槽２１内に浸漬されている分離膜２２により固液分離する。これによって、被濃縮水中の菌が濃縮されて菌濃縮液２８となって濃縮槽２１内に残り、分離膜２２を透過した菌を含まない分離液は、吸引ポンプ２５により系外へ排出される。
【００４１】
膜による菌濃縮倍率については、投入する被濃縮水と分離液の量で決定され、目的とする有機物負荷量などにより任意に設定することができるが、菌濃縮液２８中のＭＬＳＳ濃度（汚泥濃度）で５０００〜１０００００ｍｇ／Ｌとなるように濃縮することが好ましく、１００００〜５００００ｍｇ／Ｌがより好ましい。ＭＬＳＳ濃度が５０００ｍｇ／Ｌ未満であると、菌の濃縮が不充分で馴養期間の短縮効果が少ないので好ましくなく、１０００００ｍｇ／Ｌを超えると、ろ過が困難になりろ過効率が低下するので好ましくない。
【００４２】
上記の所定の範囲の菌濃縮倍率が得られた時点で、膜分離操作を停止し、菌濃縮液２８を取り出してメタン発酵槽１４に投入後、メタン発酵処理を開始する。
【００４３】
すなわち、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場などから排出される食品加工残渣、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物、又は、し尿系処理として下水処理から出た汚泥等の有機物を含有する排水からなる被処理物を、粉砕機１１により粗砕した後、更に微粉砕機１２により微粉砕してスラリー調整槽１３に投入する。このスラリー調整槽１３では、必要に応じて加水し、固形物濃度１０〜２０質量％となるように調整される。このようにメタン発酵処理に供する有機性廃棄物を粉砕、スラリー化することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。
【００４４】
このスラリーをメタン発酵槽１４に送り、上記の菌濃縮液２８に添加して、該発酵槽内でメタン発酵を行う。このとき、本発明においては、あらかじめ菌体濃度を高めた菌濃縮液２８に被処理物が添加されるので、立ち上げ時の馴養期間を大幅に短縮できる。
【００４５】
その他のメタン発酵処理の条件は特に限定されず、本発明の方法は、中温メタン発酵、高温メタン発酵のいずれの処理にも用いることができる。なお、メタン発酵槽１４内への菌濃縮液２８の投入は、上記のように、メタン発酵の立ち上げ時に先立って行ってもよく、実際に被処理物の投入負荷を開始すると同時に行ってもよい。
【００４６】
また、本発明のメタン発酵処理方法は、メタン発酵槽の新規立ち上げ時に限定されず、メタン発酵処理の再起動時、又は運転中に被処理物の投入負荷を増加させる場合にも適用できる。この場合には、被濃縮液となる発酵液として、メタン発酵槽１４内に既に存在するメタン発酵液を用いればよい。すなわち、上記の分離膜濃縮装置２０を用いてメタン発酵槽１４中のメタン発酵液を濃縮して菌濃縮液２８とした後、この菌濃縮液２８を再度メタン発酵槽１４内に戻してから、再起動又は被処理物の投入負荷の増加を行えばよい。これにより、再起動時、又は運転中に被処理物の投入負荷を増加させる場合の馴養期間も大幅に短縮できる。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明を実施例及び比較例によって更に詳細に説明する。
実施例
図１、２に示すような処理装置を用い、本発明のメタン発酵処理方法を用いて連続運転を行った。
【００４８】
被処理物としては有機性廃棄物である模擬生ゴミを用いた。模擬生ゴミとしては果物、野菜、肉、魚、卵、米、パンなどを配合比を決めて混合し、水道水でＴＳ（固形分）濃度１０％となるように希釈してミキシングした物を用いた。
【００４９】
種汚泥としては、下水処理汚泥を中温メタン発酵処理した消化汚泥を用い、図２に示すような分離膜濃縮装置において、孔径０．１μｍの中空糸膜を用いて種汚泥を濃縮した。種汚泥の濃縮前のＭＬＳＳ濃度は１２０００ｍｇ／Ｌであり、これを２．５倍に濃縮して、ＭＬＳＳ濃度が３００００ｍｇ／Ｌの菌濃縮液を得た。この菌濃縮液を、図１に示すようなメタン発酵槽に移し、ＨＲＴ（発酵液滞留時間）を１５日（CODCr負荷量10g/(L・d)相当）で模擬生ゴミによる中温メタン発酵処理を行った。この結果、メタン発酵処理開始から３０日経過の間で有機酸濃度は１００〜１５０ｍｇ／Ｌであって有機酸の蓄積は少なく、順調にメタン発酵処理が行われた。
【００５０】
比較例１
種汚泥の濃縮を行わない以外は実施例と同じ条件とし、ＭＬＳＳ濃度が１２０００ｍｇ／Ｌの種汚泥をそのままメタン発酵槽に移して中温メタン発酵処理を行った。その結果、運転２日目から有機酸濃度が上昇し、５日目には有機酸濃度が１５０００ｍｇ／Ｌを超えた。それに伴い、発酵槽内のｐＨは５．３まで低下し、メタンガスの発生が停止してメタン発酵処理系が破綻した。
【００５１】
比較例２
比較例１と同様に種汚泥の濃縮は行わず、そのまま種汚泥をメタン発酵槽に移し、ＨＲＴ３０日（CODCr負荷量5g/(L・d)相当）で中温メタン発酵処理を開始した。２１日経過後、ＨＲＴを２５日とし、その１４日後にＨＲＴを２０日、さらに１４日後にＨＲＴ１５日とし、この状態で３０間運転を継続した。その結果、この期間の有機酸濃度は８０〜１５０ｍｇ／Ｌであり有機酸の蓄積は無く、順調にメタン発酵処理が行われたが、ＨＲＴ１５日で処理を行うまでに、合計４９日間と長期間を要した。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理の余剰汚泥等の有機性廃棄物、又は、有機物を含有する排水のメタン発酵処理に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１における分離膜濃縮装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１１  粉砕機
１２  微粉砕機
１３  スラリー調整槽
１４  メタン発酵槽
１５  攪拌羽根
１６  ガスホルダー
１７  ガス利用システム
２０  分離膜濃縮装置
２１  濃縮槽
２２  分離膜
２３  散気装置
２４  ブロア
２５  吸引ポンプ
２６  嫌気性ガスボンベ
２７  弁
２８  菌濃縮液
３１、３２、３３  配管
【図１】
2005046788.tif 000003
【図２】
2005046788.tif 000004